建筑廢棄混凝土再生骨料在道路路基中的應用

張靈通,張 棟,李寶元,安美辰,吳智強,高俊濤

(新疆理工學院機電工程學院,新疆 阿克蘇 843000)

0 引言

以阿克蘇地區某縣2022年道路維修改造項目施工為例,路線長度5314 m,原有路面為混凝土路面,經多年運行后路面的混凝土面層板出現沉陷或隆起、面層開裂破碎、接縫剝落等病害,已影響到路面車輛的行駛舒適性及交通安全。為了消除病害隱患,對原水泥混凝土路面銑刨,把原混凝土廢棄物作為路基層上面重新鋪設瀝青,經過一年多的運行,路面沒有出現裂縫、錯臺、隆起等病害,運行良好。由此可見,把固廢混凝土作為路面基層具有可實現性、操作性,減小了直接清除原路面混凝土帶來的材料浪費。隨著我國新型城鎮及新型工業的快速發展,基礎設施建設全面推進,建筑固廢的科學處理及資源化利用已成要迫切需要解決的問題。

選取阿克蘇市郊區的建筑廢棄混凝土及磚塊,在結構實驗室進行大塊分解,剝離出混凝土塊,用錘式破碎機進行破碎分解,對破碎后的混凝土塊進行自動篩分、人工清洗,獲得不同粒徑區間的建筑固廢骨料。針對道路各層特性,提出在路基中高摻量50%、60%、70%再生混凝土骨料,開展不同摻量的建筑固廢混凝土無側限抗壓強度、劈裂強度、抗壓回彈模量、抗凍性等路用性能[1-4]試驗。

1 原材料特性

1.1 抗硫酸鹽水泥

阿克蘇地區分布著大量鹽漬土,為了能夠在硫酸鹽鹽漬土中推廣該項技術,試驗采用P.HSR 42.5抗硫酸鹽水泥,技術指標見表1。

1.2 粗骨料

采用阿克蘇地區筑路材料豐富的天然礫石。

1.3 建筑固廢

采用的建筑固廢為拆除、破碎、篩分過的混凝土樓板及框架柱,其壓碎值、表觀密度及吸水率見表2。

表2 建筑固廢物理性能試驗結果Tab.2 Results of physical performance test of building solid waste

從表2數據分析可知,建筑固廢細骨料的吸水率比中粗骨料高,根據骨料粒徑較小、吸水率增高的現象,壓碎值滿足規范中不大于30%的規定,可作為公路路基粗骨料使用。

2 高摻量再生混凝土骨料配合料

將天然礫石與建筑固廢人工篩分,將破碎后的混凝土以質量比50%、60%、70%摻入混合料中,在實驗室內調整混合料顆粒級配,令其滿足《公路路面基層施工技術細則》(JTG/T F20-2015)用于高速公路與一級公路底基層、二級及其以下等級公路基層的級配規范要求,級配見表3。

表3 建筑固廢高摻量混合料級配Tab.3 Grading of high content mixture of construction solid waste

3 試驗結果與分析

3.1 最佳含水率與最大干密度

依照《公路土工試驗規程》(JTG 3430-2020)的擊實試驗來測試不同水泥劑量(3%、4%、5%、 6%),確定高摻量50%、60%、70%再生混凝土骨料的最大干密度ρ(g/cm3)與最佳含水量(%),見圖1、圖2。

圖1 不同水泥劑量高參量最大干密度變化Fig.1 Variation of maximum dry density at different cement dosages

圖2 不同水泥劑量高參量最大含水率變化Fig.2 Changes in maximum moisture content at different cement dosages

從圖1、圖2試驗數據得出,在水泥劑量試驗范圍內,高摻量建筑固廢水穩層的最大干密度隨著摻量的增加呈下降的變化規律,最佳含水率呈現增加趨勢。這是因為破碎后的再生混凝土骨料孔隙率與裂縫高于天然礫石,隨著再生骨料的增加,混合料的密度下降,吸水量增加。在試驗范圍內水泥劑量的增加對再生骨料水穩層的最大干密度、最佳含水量影響不大,這是因為在水穩層水泥的用量不是很大,隨著水泥用量增加,最佳含水率有小幅度上升,這主要是因為隨著水泥的增加,更多的水參加水化反應。

3.2 無側限抗壓強度

依據《新疆公路瀝青路面設計指導手冊》與《公路土工試驗規程》(JTG 3430-2020)要求,3種高摻配下廢棄混凝土再生骨料的路基水泥穩定層試件采用 φ100 mm×100 mm 圓柱形,按照 JTG E51—2009《公路工程無機結合料穩定材料試驗規程》采用靜壓方式,試驗試件用于 7 d、28 d、90 d 齡期的無側限抗壓強度,結果見圖3。

圖3 無側限抗壓強度實測結果Fig.3 Measured results of unconfined compressive strength

從圖3實測結果得出,在養護齡期相同的條件下,隨著固廢混凝土摻量的增加,測得的無側限抗壓強度實測值在下降,這是因為建筑固廢混凝土比天然礫石骨料孔隙率及裂縫都要高,壓碎值大,摻量越多,強度下降得越多。3種高摻量7 d 無側限抗壓強度最低為2.76 MPa,均能滿足《新疆公路瀝青路面設計指導手冊》對于水泥穩定材料在高速公路及一級公路中、輕交通道路的底基層與二級及二級以下公路基層 2～4 MPa的強度要求,高摻配50%的建筑固廢還可用于高速公路及一級公路重交通和二級及二級以下公路特重交通道路的底基層。

3.3 劈裂強度

按照《公路土工試驗規程》(JTG 3430-2020)操作規范,以工程中常用5%水泥劑量作為試驗劑量,水泥穩定建筑固廢礫石90 d齡期的劈裂強度結果見圖4。

圖4 不同摻量的建筑固廢劈裂強度實測值Fig.4 Measured values of splitting strength of construction solid waste with different dosages

從圖4可以看出,隨著廢棄混凝土摻量的增加,劈裂強度逐漸下降,高摻量60%～70%的劈裂強度實測值下降值比高摻量50%～60%下降值要大,這是因為固廢混凝土本身性能使得摻和量越多,混合料中相對薄弱的部位越多,劈裂強度下降越快。

3.4 抗壓回彈模量

以5%水泥劑量作為膠凝材料,在建筑固廢質量比為0%、50%、60%、70% 的4組摻量下,水泥穩定層礫石在養護室溫度20 ℃養護7 d、28 d、90 d,測定不同養護溫度條件下的抗壓回彈模量,為了保證試驗結果的準確性,每組摻量取3個試驗樣品的平均值作為最終抗壓回彈模量結果,試驗結果見圖5。

圖5 抗壓回彈模量試驗結果Fig.5 Results of compressive rebound modulus test

由圖5可知,在養護條件、養護周期相同時,隨著建筑固廢摻量的增加,抗壓回彈模量降低。以7 d養護時間為例,沒有摻入固廢的3個試樣平均抗壓回彈模量為896 MPa,而高摻配70%的固廢混凝土3個試樣平均抗壓回彈模量僅為356 MPa。這是因為摻入的固廢混凝土在錘式破碎機破碎過程中產生大量的微裂紋,隙率高,固廢表面包裹著水泥砂漿,由于水泥砂漿的親水性導致再生骨料的吸水率大、堆積密度小、壓碎指標高、硬化后的強度低、彈性模量低[6]。隨著養護時間的增加,不同摻量的試件抗壓回彈模量均增大。

3.5 建筑固廢混凝土凍融循環試驗

考慮到建筑固廢混凝土需用于道路工程實際,受試驗場地限制,結合當地氣溫,在室內制作模型進行凍融循環試驗,以驗證多次凍融后建筑固廢混合料是否能夠滿足強度要求。試件3個為一組,每組數據為3個試件的平均值,溫度變化區間設為-20 ℃～+20 ℃,凍融循環次數暫設定10次,以模擬在室外環境中冬春季節路基溫度變化,測試建筑固廢混凝土摻量為0%、50%、60%、70%時的抗壓強度。試驗結果見圖6。

由圖6可知,隨著固廢混凝土添加量的增加,試驗值下降,這揭示了建筑物廢棄的混凝土再次破碎后得到的骨料裂縫及氣孔較多,經多次凍融循環后試件內部裂縫不斷膨脹增多,骨料黏結力及結構穩定降低,表現為抗壓強度值下降,摻和量越大,降低得越多。

4 結論

隨著建筑廢棄混凝土再生骨料混合料含量的增加,路基結構層的力學性能逐漸降低。推薦將配比參數為60%、70%的再生骨料混合料用于二級及以下公路路基基層中,配比參數為50%的再生骨料混合料運用于二級及以下公路路基水泥穩定層中,也可用于高速公路及一級公路重交通和二級及二級以下公路特重交通道路的底基層。通過工程實例證實,建筑固廢在道路路基工程中的性能設計能夠滿足規范要求,為建筑固廢高摻量再生骨料在道路工程中的應用推廣提供了參考。